'n Nuwe Modulêre Monitoringsoplossing vir Fotovoltaïese en Energiestoor Kragopwekkingstelsels

1.Inleiding en Navorsingsagtergrond​

​1.1 Huidige Staat van die Sonenergie-industrie​
As een van die mees oorvloedige hernubare energiebronne, het die ontwikkeling en benutting van sonenergie sentraal geword in die wêreldwye energie-oorgang. In die afgelope jare, gedryf deur beleidswyse regoor die wêreld, het die fotovoltaïese (PV) industrie ongekende groei ervaar. Statistieke dui daarop dat China se PV-industrie 'n verbazende 168-voudige toename tydens die "12de Vyfjaarplan" periode gesien het. By die einde van 2015 het die geïnstalleerde PV-kapasiteit 40 000 MW oorskry, vir drie opeenvolgende jaar eerste wêreldwyd gerangskik, met voortgesette groei wat in die toekoms verwag word.

​1.2 Bestaande Probleme en Tegniese Uitdagings​
Ten spyte van snelle ontwikkeling, staan tradisionele PV-energieopslagsisteme steeds voor 'n groot aantal tegniese bottelnekke in praktiese toepassings:

• ​PV-Ryk Issues:​​ Om laadspannings- en kragvereistes te bevredig, word tipies 'n groot aantal individuele PV-selle in reeks- en parallelverband verbind. Hierdie struktuur is vatbaar vir gedeeltelike skaduwing, wat lei tot "mismatch" verliese en warmplekkeffekte, wat die stelsel se kragopwekkingsdoeltreffendheid en veiligheid beduidend verminder.
• ​Energieopslag Batterypak Issues:​​ Batterypakke, wat ook reeks-parallelverband gebruik, staan inherente balanseringsprobleme teen. Batterynonuniformiteit verswak met skaal, nie net verhoog dit die stelselkompleksiteit nie, maar veroorsaak ook kapasiteitsafname en verkorte leeftyd, wat grootskale toepassing belemmer.
• ​Onvolhoubare Aspekte van Bestaande Tegnieke:​​ Alhoewel sommige navorsers pasiewe egaliseringsbestuurtegnieke voorgestel het, skuif hierdie metodes slegs die balanseringsprobleem sonder om die impak van multi-module reeksverbinding op afstroomkringe volledig in ag te neem. Dit ontbreek ook wetenskaplike riglyne vir die keuse van sleutelkomponente soos PV-selle.

​II. Algemene Stelseloplossing en Topologie​

Die kern van hierdie oplossing is om 'n nuwe, modulaire en skaalbare kragstelseltopologie te konstrueer.

​2.1 Hiërargiese Stelselkomposisie​
Die stelsel is hiërargies gestruktureer vanaf die basiese eenheid na drie vlakke:

1. ​Module (Basiese Eenheid):​​
• ​Komposisie:​​ 'n Enkele PV-sel, 'n enkele opslagbatterij (met ooreenstemmende spanning en kapasiteit), 4 kragskake, en 'n onafhanklike bestuurder.
• ​Funksie:​​ As die kleinste outonome eenheid, bestuur die bestuurder die 4 skake om onafhanklike verbindings/ontknoppings van die PV-sel en die batterij te moontlik maak, wat buigsame skakeling tussen vyf operasionele modes moontlik maak.
2. ​Reeks Streng:​​
• ​Komposisie:​​ Vorm deur die verbinding van 'n aantal van die bogenoemde module in reeks.
• ​Funksie:​​ Verhoog die totale uitvoerspanning van die streng om die insetspanningsbereik van die afstroom DC/DC boost-wisselaar te pas.
3. ​Stelsel:​​
• ​Komposisie:​​ Vorm deur die parallelle verbindings van meerdere reeksstrengs, wat deur 'n DC/DC-wisselaar saamgevoeg word tot 'n gemeenskaplike DC-bus.
• ​Funksie:​​ Die DC-bus kan direk aan DC-lae of, via 'n DC/AC-wisselaar, aan AC-lae krag verskaf.

​2.2 Kernvoordele​
Hierdie topologie elimineer, deur individuele selvlak-onafhanklike bestuur, fundamenteel die inherente skaduw- en batteriebalanseringsprobleme van tradisionele reeksstrukture op fisiese vlak. Met die regte komponentekspedisie, laat die stelsel toe dat PV-selle konsekwent naby hul Maksimum Kragpunt (MPP) opereer, wat die behoefte aan addisionele MPPT-sirkels en komplekse Batteriebestuursisteme (BMS) elimineer.

​III. Hiërargiese Moniteringstrategie​

Hierdie oplossing maak gebruik van 'n hiërargiese bestuurstretegie om verfynede monitering van plaaslike tot globale vlakke te bewerkstellig.

​3.1 Modulevlak Moniteringstrategie (Outonome Bestuur)​​
Elke module skakel outonomies tussen die volgende 5 operasionele modes, gebaseer op sy eie status (PV-uitvoerspanning, batteriespanning):

​3.2 Strengvlak Moniteringstrategie (Spanningskoördinering Bestuur)​​
Strengvlak-monitering gebruik die insetspanning (U_in) van die DC/DC-wisselaar as die sleutelparameter, stabiliseer die spanning deur modules te verbind/ontkoppel.

• ​Bestuursdoelwit:​​ Verseker dat U_in binne die toelaatbare werkbereik van die DC/DC-sirkel bly (bv. 12V ~ 22V).
• ​Drempel Bestuurslogika (bv. vir 24V-stelsel):​​
• ​Lage Spanningsdrempel (16V):​​ Indien U_in < 16V, soekt die moniteringstelsel outomaties vir modules binne die streng wat in standby-modus is maar normale batterielading het, beveel hulle om te verbind, vermy dat die DC/DC weens lage insetspanning afskakel.
• ​Hoë Spanningsdrempel (20V):​​ Indien U_in > 20V, word die verbindings van nuwe modules beperk om verseker dat U_in nie die maksimum insetspanning van die DC/DC oorskry nie.
• ​Beskermingsdrempel (12V):​​ Indien U_in < 12V, word die streng as leeg beskou, dwing dit om te ontkoppel. Alle modules gaan in standby-modus totdat 'n voldoende aantal batterye herstel.

​3.3 Stelselvlak Moniteringstrategie (Globale Beskerming)​​
Stelselvlak-monitering fokus op die versekering van kragverskaffingskwaliteit, met die DC-busspanning (U_bus) as die sleutelmoniteringspunt.

• ​Bestuurslogika:​​ Die DC-busspanning word in real-time gemoniteer. Indien die spanning onder 'n kritieke drempel val (bv. 80% van 24V-stelselrating, dus 22V), dui dit op onvoldoende totale stelselenergie. Die moniteringstelsel sal 'n globale afskakelbevel uitvoer om die wisselaar en laaie te beskerm, en verseker dat die AC-kant kragkwaliteit behou.

​IV. Sleutelkomponentekspedisie Metode​

Om die pasmaakprobleem tussen PV-selle en opslagbatterye aan te spreek, stel hierdie oplossing 'n seleksiemetode voor om sonenergiebenuttingdoeltreffendheid te maksimaliseer.

• ​Kernidee:​​ In hierdie stelsel word die werkingsspanning van die PV-sel deur die batteriespanning geklam, wat die pasmaak van hul spanningsparameters krities maak.
• ​Seleksiemodel:​​ Gebaseer op 'n ingenieurswetenskaplike wiskundige model van die PV-sel (temperatuur- en inslagsinvloede in ag geneem), word die stelseldoeltreffendheid η afgelei as 'n funksie van die batteriespanning U_BAT en die PV-sel se maksimum kragpuntspanning U_mp.
• ​Gevolgtrekking:​​ Vir 'n 3.7V-opslagbatterij met 'n werkingsspanning van ongeveer 3.9V~4.0V, wys simulasieresultate dat die stelsel se sonenergiebenuttingdoeltreffendheid die hoogste is wanneer die PV-sel se U_mp ongeveer 4.25V is. Dus, in praktiese seleksie, moet die PV-sel se U_mp binne die bereik van 4.2V ~ 4.3V beheer word.

​V. Verwagte Uitkomste​

1. ​Beduidende Verbetering in Doeltreffendheid:​​ Modulaire onafhanklike operasie elimineer fundamenteel die inherente "bucket-brigade effek" en warmplekke van reeksstrukture, wat verseker dat elke eenheid doeltreffend opereer. Gelyktydig stel presiese spanningspasmaak tussen PV en opslag toegefasseerde Maksimum Kragpunt Tracking (MPPT) sonder addisionele sirkels moontlik, wat die kragopwekkingsdoeltreffendheid beduidend verhoog.
2. ​Verhoogde Leeftyd en Betroubaarheid:​​ Die modulaire struktuur los fundamenteel die balanseringsuitdagings op wat veroorsaak word deur batterypaknonuniformiteit, vermy oorlaai en oorontlaai, en verleng effektief die algehele stelselleeftyd. Die hiërargiese moniteringstrategie bied veelvlakkige beskerming van plaaslike tot globale vlakke, wat die stelsel se robuustheid beduidend verhoog.
3. ​Kostebestuur en Gemaklike O&M:​​ Hierdie ontwerp elimineer suksesvol die behoefte aan komplekse MPPT-navolgers en Batteriebestuursisteme (BMS), wat hardewarekoste verlaag. Sy "Lego-agtige" argitektuur maak installasie, instandhouding en uitbreiding uiterst gemaklik. Die mislukking van 'n enkele module het geen invloed op die algehele operasie nie, wat die totale leeftydkoste verlaag.